[論文レビュー] Enabling Wireless Power Transfer in Cellular Networks: Architecture, Modeling and Deployment

Kaibin Huang, Vincent K. N. Lau|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 19被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、マイクロ波電力伝送（MPT）を用いた無線充電を可能にするために、ランダムに配置された電力ビーコン（PB）を上行リンク用基地局（BS）に重畳したハイブリッドセルラー網アーキテクチャを提案する。ポアソン点過程を用いた確率的幾何学的手法により、アイソトロープ（等方的）MPTでは $ q\tau_p\tau_b^{\alpha/2} $ が閾値を超える必要があることが示され、指向性MPTではアレイ利得 $ z_m $ および $ (z_m q)^{2/\alpha} \tau_b $ が十分に大きくなければ、停電制約下での信頼性ある電力供給を確保できないことが明らかになった。

ABSTRACT

Microwave power transfer (MPT) delivers energy wirelessly from stations called power beacons (PBs) to mobile devices by microwave radiation. This provides mobiles practically infinite battery lives and eliminates the need of power cords and chargers. To enable MPT for mobile charging, this paper proposes a new network architecture that overlays an uplink cellular network with randomly deployed PBs for powering mobiles, called a hybrid network. The deployment of the hybrid network under an outage constraint on data links is investigated based on a stochastic-geometry model where single-antenna base stations (BSs) and PBs form independent homogeneous Poisson point processes (PPPs) and single-antenna mobiles are uniformly distributed in Voronoi cells generated by BSs. In this model, mobiles and PBs fix their transmission power at p and q, respectively; a PB either radiates isotropically, called isotropic MPT, or directs energy towards target mobiles by beamforming, called directed MPT. The model is applied to derive the tradeoffs between the network parameters including p, q, and the BS/PB densities under the outage constraint. First, consider the deployment of the cellular network. It is proved that the outage constraint is satisfied so long as the product the BS density decreases with increasing p following a power law where the exponent is proportional to the path-loss exponent. Next, consider the deployment of the hybrid network assuming infinite energy storage at mobiles. It is shown that for isotropic MPT, the product between q, the PB density, and the BS density raised to a power proportional to the path-loss exponent has to be above a given threshold so that PBs are sufficiently dense; for directed MPT, a similar result is obtained with the aforementioned product increased by the array gain. Last, similar results are derived for the case of mobiles having small energy storage.

研究の動機と目的

• 専用の電力ビーコン（PB）を介したマイクロ波電力伝送（MPT）を用いて、セルラー網における無線電力伝送（WPT）を可能にすること。
• モバイルデバイスを無線で充電しつつ、上行リンクのセルラー接続を信頼性高く維持する課題に対処すること。
• 停電制約下において、PBおよび基地局（BS）の密度、送信電力、ビームフォーミング技術の間のトレードオフをモデル化・分析すること。
• 大容量または小容量のエネルギー貯蔵を持つモバイルデバイスを想定した、アイソトロープまたは指向性MPTを用いたハイブリッドネットワークの展開ガイドラインを提供すること。

提案手法

• 基地局（BS）と電力ビーコン（PB）をそれぞれ独立したホモジニアスなポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、モバイル端末はBSのボロノイ領域に一様に分布すると仮定する。
• 確率的幾何学的手法を用いて、モバイル端末がPBから十分な電力を受信できる条件の下で、上行リンクデータリンクの停電確率を分析する。
• 2つのMPTモードを検討する：等方的放射（オムニディレクショナルPB）と指向性MPT（ターゲットモバイルに向けてビームフォーミング）で、アレイ利得 $ z_m $ を用いる。
• 経路損失指数 $ \alpha $ でスケーリングされた、PB送信電力 $ q $、PB密度 $ \tau_p $、BS密度 $ \tau_b $ の積の解析的表現を導出する。
• モバイル端末に大容量のエネルギー貯蔵がある場合、定理3を用いて可能なパrameter領域の数値計算を実施し、小容量の場合にはシミュレーションを用いる。
• ビームフォーミングにおけるアレイ利得 $ z_m $ の影響を組み込み、有効電力の増加をモデル化し、指向性MPTにおける修正された閾値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セルラー網において、基地局密度の関数として上行リンク停電制約を満たすために必要な最小のモバイル送信電力は何か？
• RQ2 アイソトロープMPT下で、PB送信電力 $ q $、PB密度 $ \tau_p $、BS密度 $ \tau_b $ がどのようにトレードオフを形成するか？ 信頼性あるエネルギー伝送を確保するための条件は？
• RQ3 ビームフォーミング（指向性MPT）とアレイ利得 $ z_m $ を用いることで、アイソトロープMPTと比較して、必要なPB密度および送信電力はどのように変化するか？
• RQ4 異なるエネルギー貯蔵容量およびMPT設定下で、十分な電力供給を確保するための $ q\tau_p\tau_b^{\alpha/2} $ および $ (z_m q)^{2/\alpha}\tau_b $ の臨界閾値は何か？
• RQ5 モバイル端末におけるエネルギー貯蔵の制限が、ハイブリッドネットワーク展開の可能性および必要なPB密度にどのように影響するか？

主な発見

• セルラー網単体の場合、干渉がない分析の下で、ノイズの有無にかかわらず、$ p\tau_b^{\alpha/2} $ が閾値を超えていれば停電制約は満たされる。
• 大容量のモバイル端末を想定した等方的MPTでは、十分な電力供給を確保するため、積 $ q\tau_p\tau_b^{\alpha/2} $ が与えられた閾値を超えていなければならない。
• 大容量のモバイル端末を想定した指向性MPTでは、積 $ z_m q \tau_p \tau_b^{\alpha/2} $ が別の閾値を超えていなければならず、アレイ利得 $ z_m $ が有効電力伝送を高める役割を果たす。
• 指向性MPTでは、距離にかかわらず適切な電力供給を確保するため、$ (z_m q)^{2/\alpha} \tau_b $ が十分に大きくなければならない。そうでなければ、PBは最小電力要件を満たせない。
• 小容量のエネルギー貯蔵を持つモバイル端末では、$ q^{2/\alpha} \tau_p \tau_b^{\alpha/\alpha} $ および $ q^{2/\alpha} \tau_b $ の両方が十分に大きくなければ、複数のPBからのエネルギー蓄積を補償できない。
• 可能性領域の結果から、低密度のBS環境では等方的MPTが優れているが、高密度環境では指向性MPTがより効率的になることが明らかになった。これは、側 lobes の電力依存性が低減されるためである。